Lorsqu’un faisceau laser femtoseconde est fortement focalisé sur des matériaux transparents,
une ionisation en cascade peut se produire suite à l’intense ionisation du champ
induit par celui-ci. Une fraction de l’énergie laser est absorbée et transférée dans le
support produisant un échauffement local. La température à l’intérieur de la zone
d’irradiation s’élèvera au point de fusion ou d’ébullition, selon la fluence de l’impulsion
incidente et les propriétés du matériau. En conséquence, une légère modification du
matériau, la formation de nano-réseaux ou des dommages complexes peuvent se produire.
L’explosion de Coulomb peut participer au processus d’enlèvement de matière
lorsque le faisceau laser est fortement focalisé sur la surface. Dans cette thèse, nous allons
nous concentrer sur la formation de nano-réseaux sur la surface de la silice fondue.
Nous mesurons la fluence de l’impulsion nécessaire pour induire des nano-réseaux de
surface pour différents espacements entre des impulsions consécutives, pour découvrir
et quantifier l’effet d’incubation dans le processus de formation de nano-réseaux. Nous
proposons également une équation d’incubation modifiée (seuil d’ablation en fonction
de l’espacement entre les impulsions). À l’aide d’un SEM, nous examinons le changement
structurel de la morphologie sur la surface induite par la combinaison de différents
paramètres d’écriture tels que : l’énergie par impulsion/fluence, l’espacement entre les
impulsions et la profondeur de la lumière focalisée sous la surface. Nous montrons ainsi
l’évolution des nano-fentes dans le cas statique et pour une petite gamme de fluence
d’impulsion et démontrons que des nano-réseaux uniformes peuvent être obtenus lorsque
la fluence de l’impulsion est légèrement au-dessus du seuil d’ablation et que la largeur et
l’espacement des nano-réseaux dépendent de l’espacement entre les impulsions et de leur
fluence. Nous proposons également un nouveau modèle qui inclut les effets de répartition
de l’intensité locale et d’incubation. L’évolution progressive de maxima locaux et
la formation de nouvelle paires de nanogrooves (cas statique) ou de son autoréplication
(cas de numérisation) sur des emplacements spécifiques est en fait la physique derrière
le processus de formation qui est fidèlement reproduit dans l’expérience. Jusqu’à
maintenant, aucun modèle n’a réussi à bien représenter les phénomènes observés. Finalement,
nous présentons les applications potentielles de l’écriture directe d’un certain
nombre contrôlable de nanocanaux et nano-réseaux à grande surface. / When a femtosecond laser beam is tightly focused onto transparent materials, strong
field ionization followed by avalanche ionization may occur, and a fraction of laser energy
is absorbed and transferred into the lattice resulting in local heating. The temperature
within the irradiation zone will rise up to the melting or boiling point depending on
the incident pulse fluence and material properties. As a result, either smooth modification,
or well-shaped nanogratings or complex damage may occur. Coulomb explosion
may also participate in the material removal process. In this thesis, we focus on the
nanograting inscription on the surface of fused silica. We measure the pulse fluence
which is required to induce surface nanogratings for different pulse-to-pulse spacing,
uncover and quantify the incubation effect in the nanograting inscription process, and
propose a modified incubation equation (ablation threshold as a function of pulse-topulse
spacing). Using a scanning electron microscope, we examine the structural change
on the surface induced by the combination of different writing parameters such as the
pulse energy/fluence, pulse-to-pulse spacing and the depth of the focused light below
the surface. We show the shot-to-shot evolution of nanogrooves in the static case for
a small range of pulse fluence, and demonstrate that well-shaped nanogratings can be
obtained with pulse fluence slightly above the reduced ablation threshold, and that the
width and spacing of the nanogratings depend on the pulse-to-pulse spacing and pulse
fluence. In particular, we propose a new model which consists of local intensity distribution
and incubation effect. The progressive evolution of new local maxima and in
turn the formation of new nanogrooves in pairs (static case) or in a self-replicating way
(scanning case) at specific locations is in fact the physical focus behind the nanograting
inscription, as is faithfully reproduced by the experiment. No previously reported
model has ever been successful in that respect. Finally, we discuss and demonstrate the
potential applications in direct writing of a controllable number of nanochannels and
large-area nanogratings.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QQLA.2012/29308 |
| Date | 12 1900 |
| Creators | Liang, Feng |
| Contributors | Chin, See Leang, Vallée, Réal |
| Publisher | Université Laval |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Rights | © Feng Liang, 2012 |
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